人防工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究與案例分析

摘 要：人防工程作為建筑設(shè)計(jì)中的重要組成部分，在戰(zhàn)時(shí)條件下具有較高的重要性。為進(jìn)一步提高建筑工程中人防工程設(shè)計(jì)質(zhì)量，本文以實(shí)際工程為研究對(duì)象，分析了傳統(tǒng)人防工程設(shè)計(jì)方法與過(guò)程，并采用有限元方法對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化分析。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案改善了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案過(guò)于保守、經(jīng)濟(jì)性較差的缺點(diǎn)。此外，本文還通過(guò)有限元方法分析了戰(zhàn)時(shí)荷載下臨空墻鋼筋受力與混凝土開(kāi)裂變形的協(xié)同規(guī)律。本文的研究?jī)?nèi)容可為工程實(shí)踐提供理論和數(shù)據(jù)支持，具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：人防工程；人防設(shè)計(jì)；案例分析；地下結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 984 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 研究背景

某高層住宅小區(qū)共3棟高層住宅建筑，3棟高層建筑均為地上12層，地下1層，建筑地上高度為34.15m，地下車(chē)庫(kù)高3.6m，高層住宅建筑的地上部分采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，地下車(chē)庫(kù)部分采用框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)類(lèi)型為樁基礎(chǔ)。建筑抗震設(shè)防烈度為7度，抗震等級(jí)為二級(jí)，安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50a。按照相關(guān)要求，本工程應(yīng)設(shè)置約3300m2的防空地下室。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，按照可能受到的空襲威脅，本工程為甲類(lèi)防空工程設(shè)計(jì)，即需要考慮常規(guī)武器、生化武器以及核武器保障的防護(hù)，經(jīng)核算，本工程地下室防護(hù)等級(jí)為核6級(jí)，平時(shí)為地下車(chē)庫(kù)，戰(zhàn)時(shí)為二等人員遮蔽所。車(chē)庫(kù)剖面如圖1所示。

1 人防工程設(shè)計(jì)案例

1.1 荷載取值

應(yīng)根據(jù)爆炸荷載特點(diǎn)設(shè)計(jì)人防地下室出入口、結(jié)構(gòu)特征、防護(hù)設(shè)備，確保各個(gè)部位在動(dòng)荷載作用下的抗力相協(xié)調(diào)，避免因局部破壞而影響整體結(jié)構(gòu)的隱蔽性[1-2]。其荷載取值也要根據(jù)工程特點(diǎn)和戰(zhàn)時(shí)情況進(jìn)行確定。針對(duì)研究背景的工程特點(diǎn)，在戰(zhàn)時(shí)條件下，本工程中各部位荷載選取的等效靜荷載取值見(jiàn)表1。

本工程人防地下室中混凝土標(biāo)號(hào)為C30，主要鋼筋采用HRB335，在考慮戰(zhàn)時(shí)爆炸動(dòng)荷載的情況下，根據(jù)上文所使材料強(qiáng)度調(diào)整后，混凝土可近似按照C45考慮，鋼筋可近似按照HRB400進(jìn)行考慮[3]。在此情況下，按照公式（1）計(jì)算各部位戰(zhàn)時(shí)荷載，計(jì)算得到各部位戰(zhàn)時(shí)荷載見(jiàn)表2。

式中：qz為戰(zhàn)時(shí)荷載；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，γ0=1；γG為永久荷載分布系數(shù)；SGK為永久荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；γQ為等效靜載分項(xiàng)系數(shù)；SQK為等效靜載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值。

1.2 構(gòu)件設(shè)計(jì)

人防地下室作為平時(shí)地下車(chē)庫(kù)和戰(zhàn)時(shí)人員遮蔽所，要遵循“長(zhǎng)期準(zhǔn)備、重點(diǎn)建設(shè)、平戰(zhàn)結(jié)合”的設(shè)計(jì)原則，堅(jiān)持人防建設(shè)與城市建設(shè)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展相結(jié)合的發(fā)展模式，針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)遵循“墻柱弱梁”和“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)原則[4]。人防工程作為平時(shí)地下結(jié)構(gòu)與戰(zhàn)時(shí)遮蔽所，與一般地下室相比，在設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要考慮相應(yīng)武器爆炸所產(chǎn)生的動(dòng)荷載。以武器爆炸為例，其產(chǎn)生的動(dòng)荷載具有當(dāng)量大、作用時(shí)間短、衰減快等特點(diǎn)，屬于偶然荷載，針對(duì)該類(lèi)型的荷載，防空地下室的動(dòng)力分析需要采用將結(jié)構(gòu)拆分為單個(gè)構(gòu)件并采用等效靜荷載法進(jìn)行動(dòng)力分析的方法，結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算公式如下。

在人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在動(dòng)荷載作用下，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件斜截面的抗剪承載力如公式（2）所示[5]。

其中，R如公式（3）所示。

式中：R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值；fyd為鋼筋（鋼材）動(dòng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fcd為混凝土動(dòng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ak為幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。

此外，針對(duì)防空地下室結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，要求當(dāng)板的橫向伸長(zhǎng)被約束時(shí)，跨中截面的計(jì)算彎矩對(duì)梁板結(jié)構(gòu)的折減系數(shù)為0.7，對(duì)無(wú)量樓蓋的折減系數(shù)為0.9，承載力驗(yàn)算時(shí)，混凝土及砌體結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載強(qiáng)度下的設(shè)置值應(yīng)折減0.8。動(dòng)荷載作用下，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件斜截面的抗剪承載力如公式（4）所示。

式中：V為受彎構(gòu)件斜截面最大剪力設(shè)計(jì)值；h為梁截面高度；ftd為混凝土軸心抗拉動(dòng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b為梁截面寬度；ftd為箍筋抗拉動(dòng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；A為同一截面下箍筋全部截面面積；s為構(gòu)件長(zhǎng)度方向的箍筋間距。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，人防地下室構(gòu)件材料強(qiáng)度應(yīng)符合表3的要求。除表1的要求外，防空地下室還要避免硅酸鹽磚塊和硅酸鹽砌塊，在嚴(yán)寒地區(qū)，要保證砌體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大于MU20，混凝土墊層強(qiáng)度應(yīng)大于C15。

針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件防滲要求，主要與工程埋深有關(guān)，當(dāng)埋深小于10m時(shí)，抗?jié)B等級(jí)為P6，當(dāng)埋深為10m～20m時(shí)，抗?jié)B等級(jí)為P8，當(dāng)埋深為20m～30m時(shí)，抗?jié)B等級(jí)為P10，當(dāng)埋深為30m～40m時(shí)，抗?jié)B等級(jí)為P12。針對(duì)混凝土保護(hù)層厚度，防空地下室的縱向受力鋼筋根據(jù)位置的不同確定不同的保護(hù)層厚度，一般需要設(shè)置大于20mm，且防空地下室的相應(yīng)防護(hù)單元不應(yīng)設(shè)置伸縮縫。由于防空地下室承受爆炸荷載作用，因此其受力鋼筋配筋率根據(jù)部位不同以及混凝土等級(jí)不同進(jìn)行設(shè)置，一般受壓構(gòu)件的全部縱向鋼筋的配筋率應(yīng)大于0.6，受彎構(gòu)件、偏心受壓受拉構(gòu)件配筋率一般大于0.25。除此之外，針對(duì)箍筋、拉筋等均有相關(guān)規(guī)范對(duì)其進(jìn)行規(guī)定。

按照表2所示的荷載計(jì)算值，通過(guò)公式（2）對(duì)外墻、臨空墻等位置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并采用靜力分析對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證。最終通過(guò)靜力分析得到設(shè)計(jì)外墻厚度為350mm，鋼筋公稱(chēng)直徑為16mm，頂板高度為300mm，荷載位置實(shí)際配筋率為0.48%，針對(duì)非荷載位置的鋼筋則按照配筋率大于0.25%的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終實(shí)際配筋率為0.30%。臨空墻厚度為350mm，荷載位置實(shí)際配筋率為0.52%。

2 人防設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

2.1 分析模型的建立

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是將空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面結(jié)構(gòu)，并以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖的形式施加荷載進(jìn)行內(nèi)力分析，隨后通過(guò)截面選取的方式進(jìn)行校核。該方法簡(jiǎn)單易操作，以結(jié)構(gòu)安全性為主，往往會(huì)造成設(shè)計(jì)余量過(guò)多、經(jīng)濟(jì)效益較差的不良后果[6]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷革新，有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）因其具有高效性、計(jì)算能力較強(qiáng)、能夠充分考慮空間結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)，在土木工程設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在應(yīng)力應(yīng)變分析、變形規(guī)律研究、破壞模式等方面[7]。基于此，本文在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上采用有限元法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步分析，以達(dá)到設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的。

本文對(duì)案例中的人防地下室外墻和臨空墻進(jìn)行分析計(jì)算，其中鋼筋材料特性采用雙線(xiàn)性彈塑性模型（plastic-bilinear），混凝土采用材料非線(xiàn)性方程。計(jì)算過(guò)程采用全牛頓迭代法（full newton iteration method）作為非線(xiàn)性靜力求解方法。根據(jù)前文所述設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，以降低計(jì)算壓力，提高計(jì)算效率，最終使用有限元分析軟件建立模型如圖2所示。本文建立的模型共有33826個(gè)域單元、20575個(gè)邊界單元和1554個(gè)邊單元。

材料屬性中混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，彈性模量設(shè)置為3×1010Pa，泊松比為0.2，單軸抗壓強(qiáng)度為2.0×107Pa，單軸抗拉強(qiáng)度為2.0×106Pa。鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB400，彈性模量為2.0×1011Pa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為4×108Pa。戰(zhàn)時(shí)承載力荷載設(shè)置為頂板處62.15kN/m2，底板處荷載為135.14kN/m2。

2.2 外墻優(yōu)化分析

分別選取公稱(chēng)直徑為14mm和16mm的HRB400鋼筋參數(shù)帶入計(jì)算分析，得到如圖3所示的外墻部分鋼筋結(jié)構(gòu)戰(zhàn)時(shí)承載力關(guān)系曲線(xiàn)。以線(xiàn)性擬合的方式對(duì)2種直徑下的時(shí)間及拉應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合后的R2分別為0.99701和0.99555，說(shuō)明擬合度較高，二者呈現(xiàn)明顯的線(xiàn)性關(guān)系。在進(jìn)行計(jì)算分析的6個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)中，隨著時(shí)間變化，鋼筋結(jié)構(gòu)承受的拉應(yīng)力呈線(xiàn)性變化。同時(shí)，2種鋼筋類(lèi)型的擬合曲線(xiàn)斜率不同，14mm時(shí)的斜率明顯大于16mm，說(shuō)明16mm具有更好的承載能力，在戰(zhàn)時(shí)荷載的作用下，其抗拉表現(xiàn)更出色。14mm公稱(chēng)直徑下，在6個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)中的最大拉應(yīng)力為205.34MPa，與16mm時(shí)的最大拉應(yīng)力164.59MPa相比，增長(zhǎng)了約24.76%，但仍未到達(dá)鋼筋的屈服強(qiáng)度，說(shuō)明14mm的鋼筋足以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

此外，還對(duì)鋼筋混凝土在戰(zhàn)時(shí)荷載下的裂縫發(fā)展情況進(jìn)行分析，分析表明2種公稱(chēng)直徑下的鋼筋及其配套的混凝土相關(guān)參數(shù)在上述計(jì)算步驟中的前5個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)中均未出現(xiàn)裂縫，在第6個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)中均出現(xiàn)了底端外側(cè)裂縫，開(kāi)裂情況基本一致，說(shuō)明2種公稱(chēng)直徑的鋼筋在裂縫控制和發(fā)育中并未存在明顯差異。同時(shí)，分析了第6個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的墻體位移變化，位移最大值發(fā)生在墻體中部，位移方向指向墻體內(nèi)側(cè)。該位移形式及方向主要是在外部土體壓力作用下所產(chǎn)生的。最大位移并未超預(yù)警值，說(shuō)明設(shè)計(jì)內(nèi)容均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)使用需求。

2.3 臨空墻優(yōu)化分析

臨空墻作為人防設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，本文主要分析了其在戰(zhàn)時(shí)荷載作用下，內(nèi)部鋼筋隨荷載時(shí)間變化的拉應(yīng)力變化情況，分別分析14mm公稱(chēng)直徑下的鋼筋在上述6個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)下鋼筋所受拉應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況，如圖4所示。與外墻部分不同的是，臨空墻在戰(zhàn)時(shí)荷載作用下拉應(yīng)力隨時(shí)間呈指數(shù)型變化，分別對(duì)其進(jìn)行指數(shù)擬合，擬合得到的R2分別為0.99184和0.99059，說(shuō)明擬合度較高，二者呈明顯的指數(shù)關(guān)系。

由圖4可知，在前4個(gè)時(shí)間點(diǎn)，縱向與水平鋼筋之間所受的拉應(yīng)力并未出現(xiàn)明顯變化，但相較于前幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)，拉應(yīng)力增長(zhǎng)量較大，結(jié)合模型所示位移變化情況可知，在該時(shí)間點(diǎn)，荷載部位、底板、大門(mén)柱位置出現(xiàn)少量裂縫，且隨著時(shí)間的發(fā)展裂縫開(kāi)始逐漸加劇并蔓延。第6個(gè)時(shí)間點(diǎn)時(shí)側(cè)面非承載側(cè)墻位置出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫，主要呈現(xiàn)對(duì)角線(xiàn)分布，整個(gè)墻體變形量較大，最大變形量為2.35mm。臨空墻結(jié)構(gòu)在戰(zhàn)時(shí)荷載作用下，裂縫發(fā)育較明顯，裂縫的發(fā)育也進(jìn)一步加劇鋼筋拉應(yīng)力，且隨著裂縫的發(fā)展水平鋼筋比豎向鋼筋更趨近獨(dú)立工作狀態(tài)。而計(jì)算得到的墻體鋼筋最大拉應(yīng)力值為281.11MPa，遠(yuǎn)小于480MPa的屈服強(qiáng)度值，說(shuō)明公稱(chēng)直徑為14mm的鋼筋能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用需求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和有限元分析方法分別對(duì)人防地下室設(shè)計(jì)及優(yōu)化內(nèi)容進(jìn)行研究，研究所得結(jié)論如下。1）分析了人防地下室傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的荷載取值，承載力計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)研究背景的荷載取值和最終設(shè)計(jì)成果進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。2）采用有限元方法對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化分析，分析結(jié)果表明，人防地下室結(jié)構(gòu)外墻的鋼筋材料存在一定優(yōu)化空間，優(yōu)化后仍能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，分析了臨空墻鋼筋受力變化情況與墻體裂縫發(fā)育情況。本文研究?jī)?nèi)容為今后的工程實(shí)踐提供理論支持和指導(dǎo)。

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